Hvad er kvanteffektivitet?

Kvanteeffektivitet er en måling af, hvor elektrisk lysfølsom en lysfølsom enhed er. Fotoreaktive overflader bruger energien fra indkommende fotoner til at skabe elektronhullepar, hvor fotonens energi øger energiniveauet for et elektron og tillader elektronet at forlade valensbåndet, hvor elektroner er bundet til individuelle atomer og gå ind i ledningsbåndet , hvor det kan bevæge sig frit gennem hele atomgitteret i materialet. Jo højere procentdelen af ​​fotoner, der producerer et elektron-hulpar, når den rammer den fotoreaktive overflade, desto højere er dens kvanteffektivitet. Kvanteeffektivitet er et vigtigt kendetegn ved en række moderne teknologier, især fotovoltaiske solceller, der bruges til at generere elektricitet, samt fotografiske film og opladningskoblede enheder.

Fotonenergi varierer med fotonens bølgelængde, og en enheds kvanteffektivitet kan variere for forskellige bølgelængder af lys. Forskellige konfigurationer af materialer varierer i, hvordan de absorberer og reflekterer forskellige bølgelængder, og dette er en vigtig faktor i hvilke stoffer, der bruges i forskellige lysfølsomme enheder. Det mest almindelige materiale til solceller er krystallinsk silicium, men der findes også celler baseret på andre fotoreaktive stoffer, såsom cadmium Tellurid og kobberindium gallium selenid. Fotografisk film bruger sølvbromid, sølvchlorid eller sølviodid, enten alene eller i kombination.

Den højeste kvanteeffektivitet produceres ved hjælp af ladekoblede enheder, der bruges til digital fotografering og billedbehandling i høj opløsning. Disse enheder samler fotoner med et lag af epitaksial silicium doteret med bor, hvilket skaber elektriske ladninger, der derefter forskydes gennem en række kondensatorer til en ladningsforstærker. Ladeforstærkeren konverterer ladningerne til en række spændinger, der kan behandles som et analogt signal eller optages digitalt. Opladningskoblede enheder, der ofte bruges i videnskabelige anvendelser som astronomi og biologi, der kræver stor præcision og følsomhed, kan have en kvanteffektivitet på 90 procent eller mere.

I solceller deles kvanteeffektivitet undertiden i to målinger, ekstern kvanteffektivitet og intern kvanteeffektivitet. Ekstern effektivitet er en måling af procentdelen af ​​alle fotoner, der rammer solcellen, der producerer et elektronhullepar, der med succes indsamles af cellen. Kvanteeffektivitet tæller kun de fotoner, der slår cellen, der ikke blev reflekteret væk eller transmitteret ud af cellen. Dårlig intern effektivitet indikerer, at for mange elektroner, der var hævet op til ledningsniveauet, mister deres energi og igen bliver bundet til et atom i valensniveauet, en proces kaldet rekombination. Dårlig ekstern effektivitet kan enten være en afspejling af dårlig intern effektivitet eller kan betyde, at store mængder af lys, der når frem til cellen, ikke er tilgængelige til brug, fordi det reflekteres væk af cellen eller får lov til at passere gennem den.

Når elektroner begynder at bevæge sig ind i ledningsbåndet, styrer designet af solcellen retningen for deres bevægelse for at skabe en strøm af jævnstrøm. Da højere kvanteffektivitet betyder, at flere elektroner kan trænge ind i ledningsbåndet og indsamles med succes, gør højere effektivitet det muligt at generere mere strøm. De fleste solceller er designet til at maksimere kvanteffektiviteten i bølgelængderne af lys, der er mest almindeligt i Jordens atmosfære, nemlig det synlige spektrum, skønt der også er udviklet specialiserede solceller til at udnytte infrarødt lys eller ultraviolet lys.